Контакт полупроводника с металлом

Поскольку в твердотельной электронике практически все электрические соединения между электронными узлами и элементами узлов выполняются с помощью металлических проводников, то проблема перехода «металл - полупроводник» возникает неизбежно. Насколько она сложна (с одной стороны) и важна (с другой стороны), станет понятным из следующего краткого рассмотрения этой проблемы.

Рассмотрим относительное расположение характерных уровней энергии на энергетических диаграммах какого либо металла и полупроводника донорного типа (п-типа). Из металлов выберем такое вещество, у которого энергия уровня Ферми близка к значению энергии, соответствующему середине запрещенной зоны полупроводника. В таком случае энергетические диаграммы рассматриваемого металла и полупроводника с п-типом проводимости, построенные в одном масштабе, будут иметь вид, представленный на рис. 4.1. Эти два обстоятельства не позволят обеспечить идеальный контакт между металлом и диэлектриком. Между их поверхностями останется очень тонкий слой пространства, заполненного в основном молекулами газов. Поскольку толщина этого зазора в среднем имеет порядок одного – пяти атомных диаметров, он не представляет большого препятствия для электронов проводимости. Они преодолевают этот зазор путем туннелирования сквозь создаваемый этим зазором потенциальный барьер. По этой причине разность энергий электронов, вышедших в вакуум из металла и полупроводника начинает стремиться к нулю (e_0М - e_0П = qU_Э ® 0). После того как слой металла будет приведен в контакт с поверхностью полупроводника п-типа, начнется процесс выравнивания уровней Ферми металла и полупроводника. Если противоположные части контакта замкнуть внешним проводником, то уровень Ферми в объеме полупроводниковой части контакта сравняется с уровнем Ферми в металле. Этот процесс будет происходить путем перетекания части свободных носителей из полупроводника в металл. При этом в тонком слое полупроводника, примыкающем к контактному зазору остается нескомпенсированный положительный заряд (из-за обеднения этого слоя электронами). По указанной причине величина химического потенциала в различных слоях полупроводника оказывается зависящей от расстояния между поверхностью металла и рассматриваемым слоем.

На рис. 6.2 видно, что вследствие такой зависимости на границе между металлом и полупроводником образуется потенциальный барьер высотой qU_J, препятсявующий дальнейшему перетеканию электронов проводимости из полупроводника в металл. Обратное движение электронов из металла в полупроводник затруднено еще в большей степени, поскольку высота потенциального баръера со стороны металла больше (qU_B >qU_J).

Если к контакту «металл – полупроводник» приложить внешнее электрическое напряжение, то в зависимости от его полярности происходит уменьшение (см. рис. 4.3, а) или увеличение (рис. 4.3, б) высоты потенциального барьера со стороны полупроводника. В первом случае проводимость контакта оказывается достаточно высокой, во втором случае – очень низкой. Оказывается, что зависимость плотности тока, протекающего через контакт, от величины внешнего напряжения U может быть представлена в виде следующего равенства:

, (4.23)

где J_S – константа. Величина константы J_S может быть определена из следующих соображений.

Известно, что приближенное значение плотности тока электронов из металла в вакуум определяется равенством Ричардсона-Дэшмена:

, (4.24)

где - постоянная Ричардсона, q – заряд и m* - эффективная масса электрона в металле, А_М – работа выхода электрона из металла в вакуум, h – постоянная Планка, Т – температура металла (К). В приближении модели свободных электронов в металле m*» m_е и величина константы Ричардсона принимает значение » 120 А/(см²×К²).

При переходе из металла в полупроводник электронам приходится преодолевать барьер, высота которого определяется величиной qU_B, поэтому формула Ричардсона-Дэшмена дает следующее значение плотности тока электронов из металла в полупроводник:

. (4.25)

Плотность тока электронов в обратном направлении (из полупроводника в металл) в условиях термодинамического равновесия и в отсутствие внешнего напряжения совпадает с плотностью тока электронов из металла в полупроводник, = . Однако при наличии внешнего напряжения она становится зависящей от величины этого напряжения:

. (4.26)

Суммарная плотность тока через контакт «металл - полупроводник» оказывается равной

= ( - ) = . (6.5)

Откуда видно, что

. (4.27)

Равенство (4.27) называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) перехода «металл – полупроводник». Видно, что форма выражения (1) полностью совпадает с ВАХ р-п-перехода. Поэтому переход «металл – примесный полупроводник» вполне может применяться для выпрямления переменного тока. Полупроводниковые двухэлектродные выпрямительные приборы, основной частью которых является переход «металл – примесный полупроводник», называются диодами Шотки.

Представленный выше анализ электропроводящих свойств перехода «металл – примесный полупроводник» показал, что при изготовлении полупроводниковых приборов может возникнуть серьезная проблема контактов полупроводника с внешними металлическими выводами. Эта серьезная проблема решается следующим образом. Относительно тонкий слой полупроводника, примыкающего к металлическому электроду подвергают сильному легированию. В результате этот слой приобретает свойства вырожденного полупроводника, для которого характерно расположение уровня Ферми в зоне проводимости (для полупрводника п-типа) или в валентной зоне (полупроводник р-типа). На рис.4 видно, что электроны из слоя сильнолегированного полупроводника п⁺-типа могут перейти в металл без изменения своей энергии путем туннелирования сквозь потенциальный барьер шириной d. То же самое может произойти и со электронами проводимости металла. При достаточно малых величинах d вероятность туннелирования электронов из полупроводника в металл и обратно может стать очень высокой и не зависящей от внешнего напряжения, приложенного к переходу «металл-полупроводник». В результате использования сильнолегированного переходного слоя полупроводника влияние контакта «металл-полупроводник» на свойства полупроводниковых приборов может быть сведено к минимуму. Именно такой метод изготовления контактов используют в большинстве полупроводниковых приборов.

Видно, что форма выражения (6.6) полностью совпадает с ВАХ р-п-перехода. Поэтому переход «металл – примесный полупроводник» вполне может применяться для выпрямления переменного тока. Полупроводниковые двухэлектродные выпрямительные приборы, основной частью которых является переход «металл – примесный полупроводник», называются диодами Шотки.